WO1991013442A1 - Siedewasserkernreaktor und kernreaktorbrennelement für diesen siedewasserkernreaktor - Google Patents

Abstract

In einem Siedewasserkernreaktor werden im Inneren des Kastens eines Kernreaktorbrennelementes von vier zu den Kastenwänden parallelen Brennstäben jeweils ein Strömungsunterkanal gebildet, in dem mindestens zwei, vorzugsweise vier Schaufeln angeordnet sind, die in Richtung des Kühlmittelstroms sich verjüngen und räumlich so gekrümmt sind, daß sie in der Vertikalströmung des Kühlmittels einen Drall erzeugen. Dadurch wird eine relativ hohe Leistung des Kernreaktorbrennelementes möglich.

Description

Siedewasserkernreaktor und Kernreaktorbrennelement für diesen Siedewasserkernreaktor

Die Erfindung betrifft einen Siedewasserkernreaktor entspre¬ chend dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Brenn¬ element für diesen Siedewasserkernreaktor.

Die im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Struktu¬ ren von Brennelementen für Siedewasserreaktoren sind üblich und werden auch bei der Erfindung verwendet. Sie sind daher Bestandteil des erfindungsgemäßen Brennelementes und des Reaktors. Im Reaktorkern des Siedewasserkernreaktors tritt das flüssige Kühlmittel am Unterende (Eintrittsende) in den Brennelementkasten ein und verläßt es als Flüssigkeit/Dampf- Gemisch am Oberende (Austrittsende) des Kastens.

Da im oberen Teil des Brennelementes ein zunehmender Teil des Kühlmittels, das gleichzeitig als Moderator dient, als Dampf vorliegt, muß die vertikale Strömung im Reaktorkern so kanalisiert werden, daß auch dort genügend Moderator vorhan¬ den ist. Hierzu können Rohre ("Wasserrohre") für das flüssige Kühlmittel dienen, die einen oder mehrere Brennstäbe ersetzen. Ein derartiges Wasserrohr kann auch einen größeren Querschnitt als ein einzelner Brennstab besitzen, so daß es sich über den Querschnitt von mehreren Gittermaschen erstreckt, oder einen anderen (z.B. kreuzförmigen) Querschnitt aufweisen. Auch die Kastenwände dienen der Kanalisierung der vertikalen Strömung und müssen insbesondere verhindern, daß sich durch eine unkon¬ trollierte Horizontalströmung an den Absorberelementen Kühl¬ mitteldampf ansammelt, der einen geordneten Ablauf und die Steuerung der Reaktionen im Reaktor stören würde. Die Absor- berelemente sind dabei außerhalb der Brennelemente in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Brennelementen ange¬ ordnet. Normalerweise befindet sich auf der Außenfläche der Brennstä¬ be ein Wasserfilm, der die Wärme, die in den nuklearbeheizten Brennstäben entsteht und im oberen Teil des Brennelementes zum Verdampfen des flüssigen Kühlmittels führt, in das Innere der Zwischenräume zwischen benachbarten Brennstäben überträgt. Diese Zwischenräume bilden dabei Strömungsunterkanäle für die vertikale Strömung im Reaktorkern. Wird die Leistung des Brennelementes zu hoch, so kann dieser Wasserfilm abreißen oder austrocknen. Man spricht dann von einem Siedeübergang oder dryout an den Stäben. Dadurch wird der Wärmeübergang von den Stäben zu dem Kühlmittel verschlechtert und unerwünschte lokale Überhitzungen der Brennstäbe treten auf.

Andererseits liegt auch in dem oberen Teil des Brennelementes noch ein erheblicher Teil des Kühlmittels in Form von Flüssig¬ keitströpfchen und einem an den Kastenwänden entlang kriechen¬ den Flüssigkeitsfilm vor, der zur Verbesserung der Kühlung bei hohen Leistungen genutzt werden könnte. Daher ist in der US-PS 4.749.543 vorgeschlagen, an den Innenseiten der Kasten- wände Nuten einzuarbeiten, an denen ein Flüssigkeitsfilm ver¬ wirbelt wird ("flow tripper" ).

Derartige Turbulenzen erhöhen aber den Druckverlust in der vertikalen Strömung und können dadurch die angestrebten Vor- teile einer verbesserten Kühlung weitgehend aufheben oder so¬ gar überwiegen.

Bei Druckwasser-Reaktoren dagegen wird durch einen hohen Druck im Reaktorkern die Entstehung eines Flüssigkeit-Dampf- Gemisches verhindert, so daß auch am heißen Austrittsende des Brennelementes ausreichend flüssiger Moderator zur Verfü¬ gung steht und ein Siedeübergang an den Brennstäben nicht zu befürchten ist. Ein Brennelementkasten, der nur unnötigen Materialaufwand und zusätzliche Neutronenabsorption bedeuten würde, ist nicht vorhanden und die Absorberelemente sind möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Brennelementes verteilt.

Dadurch liegen ganz andere Strömungsverhältnisse vor. Insbe- sondere kann sich eine Horizontalströmung zwischen benachbar¬ ten Strömungsunterkanälen eines Brennelementes und auch zwi¬ schen benachbarten Brennelementen selbst ausbilden.

Eine derartige Horizontalströmung wird bei Druckwasser-Reak- toren sogar für wünschenswert gehalten, da dadurch ein Tempe¬ raturausgleich zwischen heißeren und kühleren Bereichen des Brennelementes erfolgt und die Kühlung verbessert wird.

Eine derartige Horizontalströmung, die bei einem Siedewasser- Brennelement jeweils durch die Kastenwände weitgehend unter¬ bunden und jedenfalls von den Absorberelementen zwischen den Brennelementen ferngehalten wird, kann daher bei einem Druck¬ wasser-Brennelement durch entsprechende Einbauten oder Schau¬ feln in den Strömungsunterkanälen erzeugt werden. Diese Schau- fein können an den Stegen von Abstandhaltern, die ohnehin zur Fixierung des gegenseitigen Abstandes der Brennstäbe erforder¬ lich sind, oder an den Stegen eigener Mischgitter angeordnet sein, wie dies z.B. in Fig. 1 und Fig. 2 der deutschen Offen- legungsschrift 15 64 697 gezeigt ist. Dabei kommt es zu einer Zirkularströmung um die einzelnen Brennstäbe, durch die alle an einem Brennstab angrenzenden Strömungsunterkanäle miteinan¬ der verbunden werden. Die Überlagerung dieser einzelnen Zirku¬ larströmungen führt dann zu Horizontalströmen, die quer durch das ganze Brennelement gehen. Die gleichen Zirkularströmungen bilden sich auch bei den Gitterstrukturen von Druckwasser- Kernreaktoren nach den Figuren 1, 8 und 9 der US-PS 4.224.107 aus.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 157 743 ist vorgeschla- gεn, in jedem Strömungsunterkanal eines Druckwasserreaktors vier Schaufeln propellerartig anzuordnen, um eine Turbulenz in den Strömungsunterkanälen und einen höheren Wärmeübergang an den Brennstäben zu erzeugen. Derartige Schaufeln stellen jedoch einen erheblichen Strömungswiderstand dar und bewirken daher einen Druckabfall mit einer Verschlechterung der Aus¬ nutzung des Reaktors, so daß die erwünschte Verbesserung praktisch nicht auftritt.

Sofern daher bei Druckwasserreaktoren überhaupt derartige Schaufeln zur Erzeugung einer Horizontalströmung verwendet werden, muß insbesondere darauf geachtet werden, daß die an derartigen Schaufeln unvermeidlichen Turbulenzen der Verti¬ kalströmung und der damit verbundene Druckverlust möglichst klein gehalten werden.

Bei Siedewassereaktoren wird eine Horizontalströmung, falls sie sich ausbilden sollte, ohnehin an den Kastenwänden unter¬ brochen, so daß nicht zu erwarten ist, daß durch die Verwendung von Schaufeln zur Erzeugung einer Horizontalströmung eine wesentliche Verbesserung erreichbar ist. Vielmehr ist gerade bei Siedewassereaktoren der Druckverlust in den Strömungsun¬ terkanälen besonders kritisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den im Flüssigkeit- Dampf-Gemisch enthaltenen flüssigen Anteil des Kühlmittels zu nutzen, um die Leistung des Brennelements zu steigern und das Auftreten eines Siedeübergangs zu vermeiden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß Schaufeln oder ähnliche Strömungsleitflächen, die bei Druckwasserreaktoren zur Erzeugung und Verstärkung von horizontalen Strömungen ver¬ wendet werden und möglichst geringe Turbulenzen in der Verti¬ kalströmung erzeugen sollen, bei Siedewasserreaktoren gerade wegen dieser Turbulenzen so vorteilhaft sind, daß der Nach- teil des erhöhten Druckverlustes in Kauf genommen werden kann. Dabei spielen Horizontalströmungen nur eine untergeordnete Rolle, da sie durch die Kastenwände umgelenkt und von den Absorberelementen ferngehalten werden müssen.

Daher wird die genannte Aufgabe durch einen Siedewasser-Kern¬ reaktor der eingangs erwähnten Art gelöst, der gemäß der Er¬ findung die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Ein Kernbrennelement für diesen Siedewasser-Kern- reaktor kann vorteilhaft entsprechend den Ansprüchen 6 oder 8 ausgebildet sein.

Der Drall, der durch die an der Kühlmittelabströmseite des Gitters im Querschnitt des Brennelementkastens angebrachten Schaufeln erzeugt wird, schleudert die im Zweiphasengemisch des Kühlmittels befindlichen Wassertröpfchen aus dem Strömungs¬ unterkanal in Richtung auf die Außenfläche der Brennstäbe. Dort bilden sie auch bei erhöhter Leistung des Kernreaktorbrennele¬ mentes einen Wasserfilm, der einen Siedeübergang bzw. Dryout an den Stäben mit einem dadurch entstehenden schlechten Wärme- Übergang verhindert.

Die weiteren Patentansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbil¬ dungen gerichtet, durch die zur Steigerung der zulässigen Lei¬ stung des Kernreaktorbrennelementes der Wasserfilm auf der Außenoberfläche der Brennstäbe in verstärktem Umfang gebildet wird.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: FIG 1 schematisch einen Siedewasserkernreaktor,

FIG 2 schematisch in Längsansicht ein erfindungsgemäßes Kern¬ reaktorbrennelement für einen Siedewasserkernreaktor nach FIG 1. FIG 3 und 4 eine Draufsicht und Seitenansicht auf einen Aus- schnitt aus einem gitterför igen Abstandhalter in einem erfindungsgemäßen Kernreaktorbrennelement nach FIG 2,

FIG 5 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform des git- terförmigen Abstandhalters,

FIG 6 und 7 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus zwei weiteren Ausführungsformen eines gitterförmigen Abstandhal¬ ters in einem erfindungsgemäßen Kernreaktorbrennelement nach FIG 2,

FIG 8 im Detail des Abstandhalters nach FIG 7, FIG 9 eine Aufsicht auf einen Querschnitt eines Brennelements, FIG 10 einen Detail-Querschnitt durch einen anderen Abstand¬ halter nach der Erfindung,

FIG 11 einen Längsschnitt entsprechend der strichpunktier¬ ten Linie XI-XI in FIG 10. FIG 12 in perspektivischer Ansicht ein Einzelteil am gitter- förmigen Abstandhalter nach FIG 5 und 6.

Der Siedewasserkernreaktor nach FIG 1 hat einen Druckbehälter 231, in dem sich ein Reaktorkern mit vertikal angeordneten Kernreaktorbrennelementen 232 entsprechend den Figuren 2 bis 7 befindet, zwischen denen Absorberelemente 242 angeordnet sind, die zur Steuerung des Reaktors in dem Zwischenraum zwischen den Brennelementen eingefahren oder daraus herausgefahren werden. Ein Austritt 233 für Wasserdampf oben am Druckbehäl¬ ter 231 ist an einer Dampfturbine 234 angeschlossen, die einen elektrischen Generator 235 antreibt. Ein der Dampfturbine 234 zugeordneter Kondensator 236 ist über eine Speisewasserpumpe 237 an einem Speisewassereintritt 238 seitlich oben am Druck¬ behälter 231 angeschlossen. Diese Speisewasserpumpe 237 pumpt kondensierten Dampf der Dampfturbine 234 als Speisewasser zu- rück in den Druckbehälter 231.

Der Druckbehälter 231 älterer Siedewasserreaktoren weist fer¬ ner unterhalb des Speisewassereintrittes 238 einen Kühlmittel¬ austritt 239 seitlich zum Reaktorkern mit den Kernreaktorbrenn- elementen 232 und einen Kühlmitteleintritt 241 unterhalb dieses Reaktorkerns auf. Eine an Kühlmittelaustritt 239 und Kühlmit¬ teleintritt 241 angeschlossene Kühlmittelpumpe 240 pumpt stän¬ dig Wasser über den Kühlmittelaustritt 239 aus dem Druckbehäl¬ ter 231 heraus und über den Kühlmitteleintritt 241 wieder in den Druckbehälter 231 hinein, so daß eine ständige Kühlmittel¬ strömung durch den Reaktorkern und damit in Längsrichtung durc die Kernreaktorbrennelemente 232 ausgehend vom Boden des Druck behälters 231 gewährleistet ist. In moderneren Reaktoren ist diese Pumpe 240 im Inneren des Druckbehälters angeordnet.

Ein Kernreaktorbrennelement 232 nach Fig. 2 für einen Siede¬ wasserkernreaktor nach FIG 1 weist einen nicht näher erkenn¬ baren Brennelementkopf mit einem Haltegriff 2 auf der Oberseit einer quadratischen Gitterplatte auf. Auf der Oberseite dieser quadratischen Gitterplatte befinden sich ferner zwei oder vier ebenfalls nicht erkennbare Stehbolzen, auf denen ein dem Kern¬ reaktorbrennelement zugeordneter langgestreckter Brennelement¬ kasten 3 aus Blech aus einer Zirkoniumlegierung mit zwei oder vier nicht sichtbaren Querstreifen ebenfalls aus Blech aus einer Zirkoniumlegierung ruht, die in zwei oder vier Ecken innen im Brennelementkasten 3 an dessen Oberende angebracht sind. Jeder dieser Querstreifen ist mit dem betreffenden Steh¬ bolzen verschraubt. Der Brennelementkasten 3 hat quadratischen Querschnitt und ist an beiden Enden offen. Die Gitterplatte selbst ist mit einer Vielzahl von Strömungsdurchführungen in Längsrichtung des Kernreaktorbrennelementes 232 versehen, durch die Kühlmittel im Reaktorkern des Siedewasserkernreaktors hin¬ durchströmt. Diese Gitterplatte ist rechtwinklig zur Längsrich¬ tung des Kernreaktorbrennelementes 232. Die Seitenwände des Brennelementkastens 3 schließen das Brennelement seitlich ab.

Das Kernreaktorbrennelement nach FIG 2 ist ferner mit einem Brennelementfuß 4 versehen, der ebenfalls eine verdeckte und nicht erkennbare quadratische Gitterplatte aufweist. Auch diese quadratische Gitterplatte hat eine Vielzahl von Strömungs- durchführungen in Längsrichtung des Kernreaktorbrennelementes 232 für Kühlmittel im Reaktorkern des Siedewasserkernreaktors. Auf der Unterseite ist die Gitterplatte des Brennelementfußes 4 mit einem zur Gitterplatte offenen Paßorgan 5 versehen, das in eine Paßöffnung an einer im Reaktorkern des Siedewasserkern¬ reaktors befindlichen sogenannten unteren Kerngitterplatte ein¬ gesetzt ist. Am Oberende ist das Kernreaktorbrennelement 232 in einer Masche eines sogenannten oberen Kerngitters im Reak¬ torkern des Siedewasserkernreaktors fixiert.

Das Kernreaktorbrennelement 232 nach FIG 2 weist ferner eine Reihe als Haltestäbe 9 für Kopfteil und Fußteil 4 des Kern- reaktorbrennelementes 232 ausgebildete, mit Kernbrennstoff ge¬ füllte Brennstäbe auf. Diese Haltestäbe 9 sind in die Gitter- platte des Brennelementfußes 4 eingeschraubt und durchgreifen die Gitterplatte des Brennelementkopfes und sind dort mit einer an der Oberseite der Gitterplatte befindlichen Mutter an der Gitterplatte angeschraubt.

Weitere mit Kernbrennstoff gefüllte Brennstäbe 10 sind mit ihren Enden lose in Durchführungen in den Gitterplatten von Kopfteil und Fußteil 4 des Kernreaktorbrennelementes einge¬ setzt. Auf ihren Oberenden sitzen als Schraubenfedern ausge¬ bildete Niederhaltefedern, die Druckfedern sind und sich je- weils am Brennstab 10 einerseits und an der Unterseite der Gitterplatte des Brennelementkopfes andererseits abstützen.

Das Kernreaktorbrennelement 232 nach FIG 2 weist schließlich zwischen dem Brennelementkopf und dem Brennelementfuß mehrere quadratische gitterformige Abstandhalter auf, die sich in einem Querschnitt des Brennelementkastens 3 befinden, mit den qua¬ dratischen Gitterplatten von Kopfteil und Fußteil 4 fluchten und von denen ein gitterförmiger Abstandhalter 22 in FIG 1 er¬ kennbar ist. Die anderen gitterförmigen Abstandhalter sind genauso ausgebildet wie der Abstandhalter 22, sind aber durch die Seitenwände des Brennelementkastens 3 genauso wie die Gitterplatte des Kopfteils und die Gitterplatte des Fußteils 4 verdeckt und daher nicht sichtbar.

Die Draufsicht nach FIG. 3 zeigt im Ausschnitt die Kühlmittel¬ abströmseite eines gitterförmigen Abstandhalters 22, der aus einer Nickel-Chrom-Eisenlegierung besteht. Diese Kühlmittel¬ abströmseite ist dem Brennelementkopf des Kernreaktorbrennele¬ mentes 232 zugewandt. Der gitterformige Abstandhalter 22 weist zwei Gruppen flacher, ebener Stege 23 und 24 auf, die sich in einem Querschnitt des Brennelementkastens 3 und damit an einem Querschnitt des Kernreaktorbrennelementes 232 befinden. Die Stege 23 ("Querstege") der einen Gruppe und die Stege 24 ("Längsstege") der anderen Gruppe durchsetzen sich rechtwinke- lig. Der Abstand zweier Stege 23 der einen Gruppe ist gleich dem Abstand zweier Stege 24 der anderen Gruppe. Dementsprechend bilden die Stege 23 und 24 flächengleiche quadratische Maschen 25, die sich in Kreuzungsstellen von äquidistanten, zueinander parallelen Längsreihen ("Zeilen Z") mit zueinander parallelen äquidistanten Querreihen ("Spalten S") befinden. Durch jede quadratische Masche 25 ist ein Haltestab 9 oder ein Brennstab 10 geführt. An den Stegen 23 und 24 befinden sich innerhalb der Maschen 25 nicht dargestellte Federn und Noppen, die für eine kraftschlüssige Halteverbindung von Haltestab 9 bzw. Brennstab 10 zum gitterförmigen Abstandhalter sorgen.

An einer Kreuzungsstelle 26 eines Steges 23 und eines Steges 24 weist der Steg 23 beiderseits des Steges 24 je eine räumlich gekrümmte, in Kühlmittelströmrichtung sich verjüngend zulau- fende Schaufel 27 und 28 auf. An einer benachbarten Kreuzungs¬ stelle 29 weist der Steg 24 beiderseits des Steges 23 diese Schaufeln 27 und 28 auf. Diese Schaufeln 27 und 28 wachsen allmählich aus der Kante des betreffenden Steges in Richtung auf den kreuzenden Steg heraus und haben, soweit sie an den Stegen 23 sitzen, eine Wölbung um eine zu diesen Stegen 23 parallele Richtung und, soweit sie an den Stegen 24 sitzen, eine Wölbung um eine zu diesen Stegen 24 parallele Richtung. Zur Ausbildung dieser Wölbung sind zwei Schaufeln 27 und 28, die sich an einer Kreuzungsstelle von Stegen 23 und 24 befin- den, in verschiedene Richtung räumlich gekrümmt.

Ferner hat der Steg 24, auf dessen beiden Seiten sich in der Kreuzungsstelle 26 die beiden Schaufeln 27 und 28 des Steges 23 befinden, zwei Schaufeln 27 und 28, die gleich wie die Schaufeln 27 und 28 an der Kreuzungsstelle 26 ausgebildet sind, Diese Schaufeln 27 und 28 am Steg 24 sind in Richtung auf an¬ dere Maschen 25 gekrümmt als die Schaufeln 27 und 28 am Steg 23 an der Kreuzungsstelle 26.

Mit dem Pfeil A ist die Blickrichtung bezeichnet, in der die in Fig. 4 dargestellte Seitenansicht eines Steges mit zwei Schaufeln 27, 28 erscheint.

Entsprechendes gilt für den Steg 23 in Bezug auf die Kreuzungs- stelle 26 benachbarte Nachbarkreuzungsstelle 29.

Die eine Kreuzungsstelle 26 bzw. 29 unmittelbar umgebenden vier Haltestäbe 9 bzw. Brennstäbe 10 bestimmen Strömungsunter¬ kanäle 32, 33, in deren Zentrum sich die Kreuzungsstelle 26 bzw. 29 befindet.

Den in FIG 3 dargestellten gitterförmigen Abstandhalter senk¬ recht zur Zeichenebene von der Unterseite der Zeichenebene zur Oberseite der Zeichenebene durchströmendes Kühlmittel er- hält in den Strömungsunterkanälen mit den Kreuzungsstellen der Stege 23 und 24 im Zentrum einen durch die Pfeile 30 und 31 charakterisierten Drall um das Zentrum dieser Strömungsunter¬ kanäle. Obwohl praktisch kein Netto-Fluß in horizontaler Rich¬ tung zwischen den einzelnen Strömungsunterkanälen stattfindet, durchmischen sich die beiden Drallströmungen benachbarter Strömungsunterkanäle an ihren Grenzflächen etwas, was einen Temperaturausgleich fördert und den im benachbarten Strömungs¬ unterkanal erzeugten Drall unterstützt.

Im oberen Teil des Brennelementes besteht das Kühlmittel aus einem Zweiphasengemisch aus Wasser und Dampf und dort ange¬ brachte Schaufeln gewährleisten, daß das Wasser gegen die Außenflächen der Haltestäbe 9 und Brennstäbe 10 geschleudert wird und so einem Siedeübergang oder Dryout entgegenwirkt.

Bei dem Abstandhalter der Fig. 5 ist mit durchbrochenen Linien die Position der Brennstäbe 9 und 10 angedeutet, die die Strö¬ mungsunterkanäle 32 und 33 begrenzen. Hier sind in jedem die¬ ser Strömungsunterkanäle vier Schaufeln 101, 102, 103, 104 bzw. 101', 102', 103', 104' vorgesehen. Die Schaufeln 101,... 104 sind dabei rotationssymmetrisch um die Mittellinie des Strömungskanals 32, d.h. der Schnittlinie des Längssteges 110 mit dem Quersteg 111, angeordnet, wo die beiden Stege auch miteinander durch Schweißpunkte 105 verbunden sind.

Mit 106 und 107 sind Noppen an den Stegen bezeichnet, gegen die die Brennstäbe 9 und 10 mittels gegenüberliegender Federn 108, 109 gedrückt werden, um den seitlichen Abstand zwischen den Brennstäben zu fixieren.

Während der Längssteg 110 die Schaufeln 101, 103 zu beiden Seiten des Schweißpunktes 105 trägt, die rotationssymmetrisch in Richtung des Pfeiles D angeordnet und gebogen sind, enthält in dem benachbarten Strömungsunterkanal 33 der den Längssteg 110 kreuzende Quersteg 112 entsprechende Schaufeln 102' und 104' , die aber rotationssymmetrisch in der Gegenrichtung (Pfeil D') angeordnet und gebogen sind. Die Pfeile D und D¹ geben daher die Rotationsrichtung des Dralles im Unterkanal an. Auch die gegenüber FIG 3 zusätzlich angebrachten Schaufeln 102, 104 bzw. 101', 103' ordnen sich diesen Rotationssymme¬ trien unter, die jeweils für alle Schaufeln eines Strömungs¬ unterkanals gelten.

Beim gitterförmigen Abstandhalter nach FI G 6 bef inden sich die Maschen 25 für die Haltestäbe 9 und die Brennstäbe 10 ebenfalls an Kreuzungsstellen von parallelen Längsreihen Z und zu diesen Zeilen orthogonalen parallelen Querreihen S. Die Längsreihen Z sind zueinander äquidistant , ebenso die

Querreihen S . Ferner ist der Abstand zweier Querreihen gleich dem Abstand zweier Längsreihen .

Die Maschen 25 sind du rch gl eich hohe hohlzylinderför ige Hülsen 70 gebildet , die gleichen Innen- und Außenquerschnitt haben und in denen sich nicht dargestellte Anlagefedern und Anlagenoppen für einen Haltestab 9 bzw. Brennstab 10 befinden . Jede Hülse 70 ist mit dem Zentrum ihres Innenquerschnittes an einer Kreuzungsstelle einer Zeile Z und einer Spalte S angeordnet. Ein Ende aller Hülsen 70 befindet sich in einer Querschn ittsebene de s Brennelementkastens 3 und das andere Ende aller hülsen in einer zu dieser Querschnittsebene paral¬ lelen Querschnittsebene . Benachbarte Hülsen 70 berüh ren sich längs einer Mantellinie , an de r sie miteinander ve rschweißt sind .

Jeweils eine Gruppe von vier in den Kreuzungsstellen von zwei benachbarten Zeilen Z und zw ei benachbarten Spalten S ange¬ ordneten Hülsen 70 bilden ei nen zu diesen Hülsen 70 paral- lelen Strömungsunterkanal, der sich im Zentrum zwischen die¬ sen vier Hülsen 70 bef indet. Am Kühlmittelabströmend e dieser Hülsen 70 sind zwei sich in einem Hülsendurchmesser gegenüber befindliche Schaufeln 72 ausgebildet . An jeder Hülse 70 sind die beiden Schaufeln 72 in Bezug auf die Hülsenlängsachse im Hülsenzentrum rotationssymmetrisch . Sie laufen in Kühlmittel- abströmrichtung sich verjüngend zu. Ferner sind sie räumlich jeweils in einen Strömungsunterkanal unter Ausbildung einer Wölbung hineingekrümmt. Die Schaufeln 72 an sich berührenden Hülsen 70 sind ferner entgegengesetzt rotationssymmetrisch je- weils bezüglich der Längsachse im Zentrum der betreffenden Hülse 70.

In jeden Strömungsunterkanal ragen jeweils zwei Schaufeln 72 hinein, die im Bezug auf eine zu den Hülsen 70 parallelen Zentralachse dieses Strömungsunterkanals rotationssymmetrisch sind.

Auf diese Weise sind die Schaufeln 72 in einem Strömungsunter¬ kanal entgegengesetzt rotationssymmetrisch zu den Schaufeln in jedem weiteren Strömungsunterkanal, der sich zusammen mit dem Strömungsunterkanal und unmittelbar benachbart zu diesen in einer zu den Zeilen Z parallelen Zwischenzeile UZ oder in einer zu den Spalten S parallelen Zwischenspalte US befindet.

Ein von der Unterseite der Zeichenebene der FIG 6 orthogonal zur Zeichenebene zu deren Oberseite strömendes Kühlmittel er¬ hält also in den Strömungsunterkanälen einen durch die Pfeile 73 bzw. 74 symoblisierten Drall. Jeder Drall in dem einen Uπterkanal wirkt unterstützend auf den Drall in einem benach- barten Unterkanal, und im Kühlmittel enthaltene Wassertropfen werden wie beim gitterförmigen Abstandhalter nach FIG 3 nach außen gegen die Außenfläche der Haltestäbe 9 bzw. der Brenn¬ stäbe 10 geschleudert.

Obwohl der Druckverlust in der vertikalen Strömung wächst, je mehr Schaufeln in einem Unterkanal angeordnet sind und dessen Querschnitt verengen, ist auch hier vorteilhaft, vier Schaufeln 72, 75, 76, 77 in jedem Strδmungskanal vorzusehen, deren rotationssymmetrische Anordnung und Form hier zu einem Abstandhalter nach FIG 7 führt. Dabei ist durch den Pfeil A wiederum die Blickrichtung auf eine in FIG 8 gezeigte Hülse 70 bezeichnet. Ferner ist dabei erkennbar, daß durch Einbuchtungen 78 an den Hülsen Noppen 78 gebildet werden, gegen die die Brennstäbe 9, 10 durch Federn 79 gedrückt werden, die zwei benachbarte Hülsen um¬ greifen.

Ein Außensteg 80, der über Anlagenoppen 81 an den Seitenwän¬ den 82 des Brennelementkastens anliegt, läuft am äußeren Rand des Abstandhalters entlang und trägt Laschen 83, die - genauso wie die Schaufeln in den Strömungsunterkanälen - sich auf der der Strömung abgewandten Seite des Abstandhal¬ ters befinden, in Strömungsrichtung sich verjüngen und ge¬ genüber der Kastenwand geneigt sind.

Mit 84 ist die Wand eines Wasserrohres gezeigt , das in diesem Fall den Querschnitt von 3 3 Gittermaschen einnimmt und im Zentrum de s Br ennelementes sitzt . Ein Innensteg 85 mit ent¬ sprechenden Laschen 86 begrenzt den Abstandhalter gegenüber dem Wasserrohr 84.

FIG 9 zeigt ei nen Detailquerschnitt ei ner entsprechenden Struktur , die zw ischen dem Wasserrohr 84 und dem Brennele¬ mentkasten 82 angeordnet ist und zunächst nur al s Träger für die Schaufeln in de n Strömungsunterkanälen dient . Es handelt sich daher zunächst um ein Mischgitter , das aber durch ent¬ sprechende Feder/Noppen-Kombinationen auch jederzeit zu einem Abstandhalter ergänzt werden kann .

Dabei ist mit 90 ein steuerbares Absorberelement angedeutet. Derartige Absorberelemente bef inden sich nur außerhalb des Brennelementkastens und sind daher von möglichen Horizontal¬ strömungen des Flüssigkeit /Dampf-Gemisches durch die Kasten¬ wände geschützt . Der Abstandhalter nach den Figuren 10 bis 12 ist quadratisch und be steht ebenfalls aus einer Nickel-Chrom-Eisenlegierung . Es sind zwei flache , ebene Außenstege 323 und 324 zu erkennen , die hochkant rechtwinklig zueinander stehen und die an den Ecken des Abstandhalters 22 eine Abrundung bilden . Der Abstandhalter 22 hat ferner Gittermaschen 25 , die sich wie die Felder eines Schachbrettes an dichten Zeilen und in zu diesen Zeilen recht¬ winkligen Spalten angeordneten Positionen befinden . Durch die Gittermaschen 25 greift jeweils ei n nicht dargestellter, Kernbrennstoff enthaltender Haltestab oder Brennstab des Kern¬ reaktorbrennelementes 232 , zu dem die Außenstege 23 und 24 rechtwinklig sind und dem diese Außenstege 323 und 324 flach zugewandt sind .

Innerhalb der Außenstege 323 und 324 des Abstandhalters 22 sind Paare miteinander fluchtender Haupthülsen 327 und 328, die im Abstandhalter 22 zueinander und zu den Brennstäben parallele Längsachsen haben , wie die Felder gleicher Farbe des Schach¬ brettes an den Positionen der Gittermaschen 25 in Zeilen und in zu diesen Zeilen rechtwinkligen Spalten jeweils unter Frei¬ lassung einer Zwischenposition zwischen zwei besetzten Posi¬ tionen angeordnet.

Die Haupthülsen 327 und 328 aller Haupthülsenpaare des Abstand- halters 22 haben einen Querschnitt mit deckungsgleicher Außen¬ kontur , die ein regelmäßiges Achteck ist. An zwei Seiten dieses Achtecks , die zu demselben Außensteg 323 oder 324 parallel sind , sind die Haupthülsen 327 und 328 mit Verbindungsstegen 329 und 330 versehen, die eine zu den Längsachsen der Haupt- hülsenpaare 327 und 328 parallele Richtung übergrei fen. Diese Verbindungsstege 329 und 330 sind an den Haupthülsen 327 und 328 jeweils in der Mitte der Seite des die Außenkontur des Querschnittes bildenden regelmäßigen Achteckes angeformt und haben eine Breite , die etwa gl eich ein Drittel der Länge der Seite dieses regelmäßigen Achteckes ist. Zwei an zueinander parallelen Seiten dieses Achteckes sitzende Verbindungsstege 329 und 330 sind in der Mitte jeweils in die gleiche Richtung gewölbt, d.h. ein Verbindungssteg 329 ist in Bezug auf die Haupthülsen 327 und 328 nach außen und ein Verbindungssteg 330 in Bezug auf die Haupthülsen 327 und 328 nach innen gewölbt. Ferner besitzen die Haupthülsen 327 und 328 in der Mitte der Seiten der ein regelmäßiges Achteck bildenden Außenkontur ihres Querschnittes auf der Haupthülsenwand eine starre Noppe 331 bzw. 332. Die starre Noppe 331 ist nach innen gerichtet, wenn der Verbindungssteg 329 an der Seite der Außenkontur in Bezug auf die Haupthülse 327 oder 328 nach außen gerichtet ist, und die starre Noppe 332 ist in Bezug auf die Haupthülse 327 oder 328 nach außen gerichtet, wenn der Verbindungssteg 330 in Bezug auf diese Haupthülse 327 oder 328 nach innen gerichtet ist.

Im Abstandhalter sind in Diagonalrichtung zwischen den Haupt¬ hülsen 327 und 328 Paare von miteinander fluchtenden Distanz¬ hülsen 333 und 334 angeordnet, deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt der Haupthülsen 327 und 328 ist und als Außen¬ kontur ein Quadrat hat, dessen Seitenl nge gleich der Seiten¬ länge der ein regelmäßiges Achteck bildenden Außenkontur des Querschnittes der Haupthülsen 327 und 328 ist. Diese Distanz¬ hülsen 333 und 334 befinden sich zwischen den Haupthülsen 327 bzw. 328 und sind jeweils aus zwei Distanzhülsenteilen 433 bzw. 434 gebildet, von denen jeweils eines an der Außenkante einer Haupthülse 327 bzw. 328 an der Seite der Außenkontur zwischen zwei Seiten mit Verbindungsstegen 329 bzw. 330 und Noppen 331 bzw. 332 angeformt ist. Jedes Distanzhülsenteil 433 bzw. 434 ist eine halbe Distanzhülse 333 bzw. 334 von zwei benachbarten Haupthülsen 327 bzw. 328. Diese halben Distanz¬ hülsen 333 sind an Schweißstellen 439 bzw. 440 miteinander verschweißt. Die Haupthülsen 327 bilden zusammen mit denen an ihnen angeformten Distanzhülsen 333 ein erstes Teilgitter des Abstandhalters 22 und die Haupthülsen 328 zusammen mit den an ihnen angeschweißten Distanzhülsen 334 ein zweites, zu dem ersten Teilgitter paralleles Teilgitter, und die Distanzhülsen 333 und 334 sitzen jeweils auf der Außenseite dieser Teilgitter und bilden Zusatzhülsen im Strömungsunterkanal, der jeweils im Zentrum zwischen vier Haltestäben 9 bzw. Brennstäben 10 gebil¬ det wird. Diese vier Haltestäbe 9 bzw. Brennstäbe 10 befinden sich jeweils in Maschen 26 des gitterförmigen Abstandhalters in zwei benachbarten Zeilen und zwei benachbarten Spalten.

Wie der Deutlichkeit halber nur in FIG 11 dargestellt ist, weist eine Distanzhülse 333 an der Kühlmittelabströmseite des gitterförmigen Abstandhalters nach den Figurn 4 und 5 an zwei sich gegenüber befindlichen, zueinander parallen Kühlmittelab¬ strömkanten und damit an den Kühlmittelabströmenden der Haupt- hülse 327 zwei räumlich in den Strömungsunterkanal hineinge¬ krümmte Schaufeln 172 auf, die in Kühlmittelabströmrichtung sich verjüngend zulaufen. Diese Schaufeln sind zu einer durch die Schnittpunkte der Diagonalen der Querschnitte der Distanz¬ hülse 333 verlaufenden Zentralachse des Strömungsunterkanals rotationssymmetrisch.

Schaufeln an Distanzhülsen, die an Seiten der Haupthülsen 27 in durch diese Seiten bestimmte Unterzeilen und Unterspalteπ einer in FIG 6 dargestellten Distanzhülse 333 unmittelbar benachbart sind, tragen an den Kühlmittelabströmkanten Schaufeln, die entgegengesetzt rotationssymmetrisch zu den Schaufeln an der Distanzhülse 333 nach FIG 11 sind.

Auch hier ist es vorteilhaft, jede der dargestellten Schaufel- paare eines Strömungsunterkanals durch ein weiteres, der Ro¬ tationsrichtung im jeweiligen Strömungsunterkanal angepaßtes weiteres Schaufelpaar zu ergänzen. Die Nachteile, die der da¬ durch vergrößerte Strömungswiderstand mit sich bringt, können durch die Vorteile einer Verwirbelung des Flüssigkeit/Dampf- Gemisches überkompensiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Siedewasserkernreaktor mit einem Druckbehälter und einer an dem Druckbehälter angeschlossenen Dampfturbine sowie mit einem in einem Reaktorkern im Druckbehälter befindlichen Kern¬ reaktorbrennelement und steuerbaren Absorberelementen, wobei das Kernbrennelement einen langgestreckten Brennelement¬ kasten mit das Kernbrennelement seitlich abschließenden, zueinander parallelen Seitenwänden, ein Eintrittsende für flüssiges Kühlmittel und ein Austrittsende für ein Flüs¬ sigkeit/Dampf-Gemisch des Kühlmittels und zu den Kasten¬ wänden parallele, nebeneinander angeordnete, Kernbrenn¬ stoff enthaltende Brennstäbe enthält, die Absorberelemente außerhalb des Brennelementes angeord- net sind, und die Brennstäbe in Längsreihen und die Längsreihen kreuzen¬ den Querreihen derart angeordnet sind, daß sie durch Ma¬ schen eines praktisch senkrecht zu den Seitenwänden ste¬ henden Gitters greifen und jeweils 4 Brennstäbe, die in zwei benachbarten Längsreihen und zwei benachbarten Quer¬ reihen stehen, einen zu den Seitenwänden parallelen Strö¬ mungsunterkanal für das Kühlmittel bilden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß minde¬ stens in mehreren dieser Strömungsunterkanäle jeweils min- destens zwei Schaufeln angebracht sind, die sich in Richtung Kühlmittelströmung verjüngen und gegenüber einer zu den Sei¬ tenwänden parallelen Mittelachse des Strömungsunterkanals räumlich derart gekrümmt sind, daß im Kühlmittel ein Drall um diese Mittelachse entsteht.

2. Siedewasserkernreaktor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in jedem dieser mehreren Strömungsunterkanäle vier um die Mittelachse praktisch rota¬ tionssymmetrische Schaufeln angeordnet sind.

3. Siedewasserkernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaufeln jeweils an der dem Kühlmittelstrom abgewandten Kante von das Gitter bildenden Stegen angeordnet sind.

4. Siedewasserkernreaktor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stege Halteelemente tragen, die den seitlichen Abstand zwischen den Brennstäben und den Seitenwänden fixieren.

5. Siedewasserkernreaktor nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß in einem Strömungsunterkanal jeweils alle Schaufeln praktisch rotationssymmetrisch in einer Richtung um die Mittelachse angeordnet und geformt sind, und daß alle Schaufeln in benachbarten Strömungsunterkanälen prak¬ tisch rotationssymmetrisch in der anderen Richtung angeord¬ net und geformt sind.

6. Kernreaktorbrennelement für einen Siedewasserkernreaktor nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Inneren des Kastens keine steuerbaren Absorberelemente angeordnet sind, daß die zu den Seitenwänden parallelen, Kernbrennstoff enthaltenden Brennstäbe jeweils durch eine Masche (25) eines Gitters geführt sind, das von zueinander parallelen Längsstegen (23) mit zu den Seitenwänden paral¬ lelen Seitenflächen und von die Längsstege kreuzenden Quer¬ stegen (24) mit zueinander parallelen Seitenflächen gebil- det ist, daß in den mehreren Strömungsunterkanälen jeweils an der Kreuzungsstelle zweier Stege der erste der beiden Stege zwei Schaufeln trägt, die an seiner dem Kühlmittelstrom abgewandteπ Kante beiderseits des zweiten Steges angeordnet sind und eine räumlich gekrümmte, in Richtung des Kühlmittelstroms sich verjüngende Form aufweisen, und daß beide Schaufeln in verschiedene Richtungen gekrümmt sind.

7. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der den ersten Steg kreuzende zweite Steg an seiner dem Kühlmittelstrom abge¬ wandten Kante zwei räumlich gekrümmte, sich in Strömungs¬ richtung verjüngende weitere Schaufeln aufweist, daß sich jeweils eine der weiteren Schaufeln auf einer Seite des ersten Steges befindet und daß zwischen der Kreuzungsstel¬ le des ersten Steges mit dem zweiten Steg und jeweils einer der beiden weiteren Schaufeln sich keine Kreuzung des zweiten Steges mit einem der anderen Stege befindet, und daß beide weiteren Schaufeln in Richtung auf andere Maschen als die Schaufeln im ersten Steg gekrümmt sind.

8. Kernreaktorbrennelement für einen Siedewasserreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß in den Maschen (25) sitzende, zueinander parallele Hülsen (70) die Maschen des Gitters bilden und von den zueinander parallelen, Kernbrennstoff enthaltenden Brennstäben durchsetzt werden, daß mindestens zwei von vier Hülsen, die von einen Strö- ungsunterkanal bildenden Brennstäben durchsetzt sind, an ihrem dem Kühlmittelstrom abgewandten Ende jeweils eine räumlich in den Strömungsunterkanal hineingekrümmte Schaufel tragen, die in Richtung des Kühlmittelstroms sich verjüngt und daß die Schaufeln im Strömungsunterkanal sich diagonal gegenüberstehen, und bezüglich einer zu den Hülsen parallelen Mittelachse dieses Strömungsunterkanals rotations¬ symmetrisch sind.

9. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaufeln an der dem Kühlmittelstrom abgewandten Seite einer Zusatzhülse an¬ geformt sind, die im Stromungsunterkanal parallel zu den Hülsen angeordnet ist.